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项目年度编号
2300010775
中图分类号
TE348
成果公布年份
2022
成果简介
在新能源及油气能源开发利用中，多孔介质普遍存在，如氢燃料电池多孔电极、核反应堆新型燃料、太阳能多孔储能材料、油气藏多孔岩芯等。多孔介质是含固体骨架及大量孔隙的物质，在其中发生流动、传热传质、质子电子传导、化学反应等多场耦合反应输运过程，以实现能质的运移或转化。査明多孔介质中多场耦合反应输运过程规律及机理并进行有效协同调控，是实现新能源及油气高效开发利用的关键。
随着新能源设备功率密度提升和油气勘探向非常规低渗油气藏延伸，多孔介质呈现基质孔隙微纳化、固体骨架多成分及整体孔隙多层级的新特征，以协调多形态物质多输运过程间的博弈关系，满足快界面转化、大密度能质储集和高通量输运的竞争需求，进而实现能质运移或转化效率的提升。上述新结构特征，带来微纳尺度跨成分界面热质传递、多形态物质耦合反应输运、多层级输运过程交联等认识不清或空白的新科学问题。实验由于技术缺乏或时空分辨率有限，难以观测微纳多孔介质内的反应输运过程；连续尺度模型基于均相假设的表征单元体来描述输运过程，未考虑实际微纳结构，严重依赖唯象或经验模型封闭方程，不能准确预测实际微纳结构对多场耦合过程的影响规律。针对微纳多孔介质中的非线性非平衡强耦合多场反应输运过程，存在孔尺度及多尺度方法亟需完善、多场耦合机理认识不清和模型欠缺、成分-结构-界面-尺度-过程-性能间的复杂内在关联机制认识不足等问题，致使新能源及非常规油气藏高效开发利用缺乏有力的分析方法和可靠的理论支撑。
该项目在国家自然科学基金和科技部重点研发课题等国家和企业项目的资助下，经过11年持续攻关，围绕微纳多孔介质中多场耦合反应输运过程模型及方法这一关键共性基础科学问题，以氢燃料电池中自顶向下（自毫米通道到纳米催化层孔隙）的反应气体多场耦合传递过程，以及低渗气藏中自底向上（从纳米有机质孔隙到宏观裂隙）的气体多尺度非达西滑移流过程为主要研究对象，遵循査明底层机理、调控多场过程及提升宏观效率的学术思想，构建了微纳多孔介质多场耦合反应输运模型，发展了孔尺度及多尺度方法，査明了纳观跨成分界面传质反应、微观非均质结构中多相传质反应、气-水-热-电多场耦合及多层级滑移流等关键反应输运过程机理，为实现能源高效开发利用奠定了理论基础。主要科学发现点如下：
1.建立了基于多孔介质实际多成分微纳结构的多场耦合反应输运过程孔尺度模型及数值方法。实现了纳米颗粒/离散反应点/离聚物薄膜局域内跨成分传质及界面反应的准确计算，揭示了纳观跨界面非平衡溶解及离散反应位点是产生附加传质阻力的原因，克服了采用均相模型和团聚块模型预测极限反应速率定性错误的缺陷；揭示了多孔介质各向异性结构和非均质润湿特性对两相电化学反应过程的影响规律，阐明了微孔中液态水毛细指进和粘性耦合的竞争运动机制。德国于利希研究中心、Christian Friedrich Schonbein勋章奖获得者A. Kulikovsky教授评价“发展了考虑离聚物中扩散和法拉第过程的LBM孔尺度模型”；RSC、AICHE、ACS、ICHEME Fellow,英国伦敦工程学院M.O. Coppens教授将该发现点工作作为其课题组未来研究方向；伊朗大学G.R. Molaeimanesh教授评价该发现点系列工作处于“国际领先（leading studies)”。
2.建立了多孔介质中气-水-热•电全耦合的三维两相非等温模型及数值方法。查明了多形态水的芯吸和蒸发相变转化及传热机制，明晰了多孔介质各向异性结构与多场耦合过程的内在关联机制，克服了多形态水平衡相变及各向同性多孔电极假设的局限与弊端；阐明了通道及多孔电极多层级结构中的多场耦合反应输运过程间相互作用机制。自主研发了多理化场分析及性能预测的仿真工具，避免了被国外商业软件卡脖子的风险，应用于多款氢燃料电池产品正向优化设计，实现了对多孔介质内多场耦合过程的有效调控及高效水热管理。RSC、AICHE、ACS、ICHEME Fellow、英国伦敦工程学院M.O. Coppens教授借鉴该发现点的工作解释芯吸/蒸发转变过程和传热间的复杂耦合机理；中国科学院院士清华大学欧阳明高教授评价“发展了全耦合非平衡各向异性的氢燃料电池模型”；南非西开普大学P. Bujlo教授评价“更加准确地（more accurate)预测了电流密度和温度分布”。
3.提出了考虑微纳多孔介质中非达西过程的孔尺度棋型、多成分多层级多孔介通的广义滑移流模型以及数值方法。重构及表征了页岩实际纳米结构，构建了微观结构和气体有效扩散系数及表观渗透率的构效关系数据库；揭示了纳米孔道中在粘性流和努森扩散共同控制下页岩气处于滑移区和过渡区的流动机制；阐明了随压力下降或努森数增加时气体从无滑移渗流过渡到努森扩散的转变机制及表观渗透率变化规律；揭示了降压过程中气体在纳米孔-微米孔-裂隙多层级结构中的流动竞争分配机制。美国桑迪亚国家实验室等10家机构合作论文评价“解决页岩气耦合输运过程有前途的方法（promising)”；美国经济地理局研究员、德克萨斯大学F. Javadpour教授引用该工作15次并遴选该工作的数据验证其提出的模型；麻省理工R.J.M Pellenq教授评价“考虑微纳机理改进了现有方法”；阿卜杜拉国王科技大学S.Y. Sun教授评价“考虑滑移效应并修正表观滲透率的模型被广泛接受”。
项目发表SCI论文52篇，授权技术发明专利4项。5篇代表论文SCI他引435次，单篇最高SCI他引146次，2篇入选ESI论文。项目成果应用氢燃料电池、油气开采、核动力系统等：1）应用于上汽、东气、神力等著名燃料电池企业电堆优化设计，显著提升了燃料电池性能；2)应用于长庆油田，为超低渗和致密油气藏中抑制气窜并提高气驱波及体积提供了理论指导；3)应用于中国核动力研究设计院，为先进核动力系统堆芯热工水力设计提供了有力工具和理论支持。
完成单位
西安交通大学
完成人
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